基于AFM探針設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)單點(diǎn)接觸下超低摩擦系數(shù)測(cè)量.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，原子力顯微鏡相關(guān)技術(shù)日趨先進(jìn)，極大地促進(jìn)了人們?cè)谖⒂^摩擦領(lǐng)域的認(rèn)知和研究。如今，原子顯微鏡已廣泛用于納米摩擦學(xué)和微納加工等領(lǐng)域，以及研究微納米尺度下的超潤(rùn)滑現(xiàn)象。隨著超潤(rùn)滑技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們相繼觀察到了超低摩擦現(xiàn)象(摩擦系數(shù)小于等于0.001)，摩擦及其引起的磨損非常低。超潤(rùn)滑若能夠得到廣泛應(yīng)用，將是人類科技史上一大顯著進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)超潤(rùn)滑并研究其機(jī)理具有極其重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。然而，目前大多數(shù)商用原子力

2、顯微鏡(AFM)摩擦系數(shù)測(cè)量分辨率有限，難以實(shí)現(xiàn)超低摩擦系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。因此，亟需深入地研究AFM摩擦系數(shù)的測(cè)量原理，并提出能夠?qū)崿F(xiàn)超低摩擦系數(shù)測(cè)量的設(shè)計(jì)方法和解決方案。
　　為此，本論文系統(tǒng)地研究了基于AFM探針設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超低摩擦系數(shù)測(cè)量的方法。通過(guò)建立理論模型，并采用有限元模擬及實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證理論的正確性，進(jìn)而利用聚焦離子束技術(shù)加工出目標(biāo)尺寸的AFM探針，并進(jìn)行超低摩擦系數(shù)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，最終提供一種用于納米級(jí)單點(diǎn)接觸超低摩擦系數(shù)測(cè)量

3、的探針設(shè)計(jì)方法。本論文的主要結(jié)果及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)系統(tǒng)研究了原子力顯微鏡測(cè)力原理的基本理論，推導(dǎo)出了光杠桿靈敏度公式，并對(duì)AFM可加載的最大正壓力和可測(cè)量的最小摩擦力進(jìn)行了詳細(xì)研究。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了可用于超低摩擦系數(shù)測(cè)量的AFM探針，提出了一種用于納米級(jí)單點(diǎn)接觸下基于探針設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超低摩擦系數(shù)測(cè)量的方法。
　　(2)在SPI3800N原子力顯微鏡上進(jìn)行了正向光杠桿靈敏度和橫向光杠桿靈敏度的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而驗(yàn)證了光杠桿

4、靈敏度公式。
　　(3)基于超低摩擦系數(shù)測(cè)量AFM探針設(shè)計(jì)模型，優(yōu)選出在MFP-3D上達(dá)到最大摩擦系數(shù)測(cè)量分辨率的商用AFM探針。
　　(4)選用最接近設(shè)計(jì)目標(biāo)尺寸的商用AFM探針，通過(guò)FIB修形加工，初步完成了將MFP-3D原子力顯微鏡的摩擦系數(shù)測(cè)量分辨率提高2個(gè)數(shù)量級(jí)的目標(biāo)。
　　用于納米級(jí)單點(diǎn)接觸超低摩擦系數(shù)測(cè)量的探針設(shè)計(jì)方法的提出，保證超潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)測(cè)量的真實(shí)性和可靠性，為揭示物理、化學(xué)、生命等科研領(lǐng)域以